iScience：基于VO2相變材料的自適應紅外隱身

論文信息：

YeYuan, Shaopei Wang, Mengdan Qian, Weiying Hou，Switchable and expandable mid-infrared broadband metasurface absorber for adaptive infrared stealth based on VO2 phase change materials, iscience 28, 113547 (2025).

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.isci.2025.113547

研究背景

電磁超表面以其在亞波長尺度上對光-物質相互作用的強大操控能力，近年來在微納光學領域引起了極大的興趣。超表面電磁控制在成像、紅外偽裝、偏振轉換、輻射冷卻、和光伏等領域有著廣泛的應用。輻射光譜主要由材料和結構幾何決定，當參數給定時，輻射光譜一般是不變的。然而，在現實中，目標的位置可能會不斷變化，導致靜態隱身目標在動態背景環境中失敗。相對于固定隱身，變熱隱身技術具有更強的實用性和更廣泛的軍事應用可能性。近年來，相變材料由于具有可調諧的光學性質，在動態熱輻射方面引起了人們極大的興趣。

因此，本研究提出一種熱可切換和可膨脹的超表面吸收體(SEMA)，該吸收器在中紅外(MIR)區域實現隱身和非隱身開關功能，在大氣透明度范圍內具有發射率調節能力，并在大氣吸收區間（5-8μm）內主動散熱。通過電磁場分布討論了SEMA在VO2金屬狀態下的選擇散熱，并用LC模型進行了驗證。此外，SEMA對偏振方向和入射光的角度表現出良好的穩定性和魯棒性。同時，在中波紅外(MWIR)和長波紅外(LWIR)波長間隔內獲得的低發射率導致輻射溫度顯著降低。

研究內容

本研究提出一種熱可切換擴展超表面吸收器(SEMA)，用于中紅外(MIR)區域的隱身與非隱身切換，其結構從上層到下層依次為Ag立方層、SU-8介電層、VO?相變材料層和氧化銦錫(ITO)襯底，各層厚度分別設定為80nm(Ag)、100nm(SU-8)、1400nm(VO?)和90nm(ITO)，如圖1所示。其中，SU-8層因穩定性好，用作保護層以防止VO?層氧化或損壞；ITO與VO?膜共同作為反射層，加速紅外區域的共振吸收，且調整ITO膜厚度對SEMA吸收光譜影響可忽略不計。最上層Ag方塊的周期(P)和邊長(r)分別設為1.6μm和1.2μm，Ag方塊陣列作為頻率選擇表面，支持磁共振并控制共振波長。

圖1 SEMA的結構設計(A)擬議的SEMA的示意圖。(B)單一SEMA結構的側面描繪

圖2A展示了VO?折射率的實部隨溫度的變化情況，從圖中可觀察到，在溫度未達到相變溫度時，折射率實部相對穩定；當溫度接近或超過相變溫度(341K左右)時，折射率實部發生顯著變化，圖2B呈現了VO?折射率的虛部隨溫度的變化,折射率虛部與材料對光的吸收特性相關，圖中同樣能看到在相變溫度附近，虛部出現明顯波動，反映出VO?在相變過程中對光吸收能力的改變。

圖2 VO2光學參數用于模擬VO2在300-373K溫度范圍內升溫和降溫過程中的折射率：(A)真實部分；(B)虛部。

圖3A清晰對比了VO?處于絕緣態和金屬態時SEMA的發射率變化，絕緣態下在8-12.1μm波段呈現超寬帶高發射率(對應高吸收率)，80%吸收帶寬達4.1μm，且在11.6μm處接近完美吸收；金屬態下發射率峰值藍移至6.2μm附近，同時在5-8μm非大氣窗口保持高發射率，直觀體現了 SEMA 的光譜切換特性。圖3B展示了SEMA在VO?絕緣態和金屬態下，在大氣窗口(3-5μm、8-14μm)和非大氣波段(5-8μm)的平均發射率。數據顯示相變后大氣窗口的平均發射率顯著降低(3-5μm從0.4降至0.28，8-14μm從0.86降至0.29)，非大氣波段保持高發射率(0.74左右)，有力證明了 SEMA 在紅外隱身(低大氣窗口發射率)和散熱(高非大氣窗口發射率)方面的性能。當溫度低于340K(VO?絕緣態)時，吸收峰主要集中在11.6μm附近，且在中紅外和長波紅外區域呈現超寬帶吸收；溫度超過340K(VO?開始相變)后，吸收峰逐漸藍移，最終在金屬態時集中于5-8μm波段，清晰展現了溫度對SEMA吸收光譜的調控作用，如圖3C。

圖3 VO2相變前后SEMA的光譜變化和電學分布(A)所提出的SEMA的發射率隨頻率的變化。(B)當VO2處于絕緣態和金屬態時，SEMA在大氣窗口和非大氣波段的平均發射率。(C)VO2相變過程中吸收光譜隨模擬溫度的變化。(d和E)VO2在其絕緣(D)態和金屬(E)態對應的主諧振波長處的橫截面電場分布

圖4A呈現了不同SU-8厚度(80nm-120nm)下，VO?處于絕緣態時SEMA的光譜吸收率。結果顯示隨著SU-8厚度增加，吸收帶寬逐漸向短波方向拓寬，80%吸收帶寬從2.1μm提升至5.3μm，且保持較高的吸收強度，表明SU-8厚度可有效調控絕緣態SEMA的吸收帶寬。圖4B展示了不同SU-8厚度下，VO?處于金屬態時SEMA的光譜吸收率。可見SU-8厚度增加能提高5-8μm波段的吸收強度，如120nm厚SU-8結構在該波段的吸收率達97.2%，遠高于80nm厚SU-8結構的85.3%，說明SU-8厚度對金屬態SEMA 的吸收性能同樣有重要影響。低溫下，隨著VO?厚度增加，長波紅外區域的吸收率相應提高，在11.6μm處逐漸接近完美吸收，凸顯了VO?厚度對絕緣態SEMA吸收強度的調控作用，這一特性對提升紅外熱發射器和光電探測器性能具有重要意義,如圖4C。

圖4薄膜厚度對SEMA(A和B)光譜吸收率的影響測定了不同厚度的SU-8在(A)和(B)相變前后的SEMA的光譜吸收率。(C和D)相變前(C)和相變(D)后不同VO2厚度的SEMA的光譜吸收率

圖5A展示了VO?處于金屬態時，SEMA在6.2μm共振波長處的截面磁場（Hz）分布。圖中可見磁場被限制在SU-8層內，形成繞SU-8層中心的順時針閉合電流回路，這表明磁共振子被有效激發，是金屬態SEMA在5-8μm波段產生吸收的關鍵物理機制，直觀呈現了磁共振的空間分布特征。圖5C呈現了不同周期邊長（1.0μm-1.4μm）的Ag方塊對應的SEMA發射率。隨著Ag方塊邊長增加，發射率峰值波長從5μm逐漸移動到7.7μm，而峰值處的發射強度基本保持不變，表明通過改變Ag方塊邊長可實現吸收峰的波長調控，且不影響吸收強度，極大拓寬了SEMA的應用范圍。

圖5 理論分析了當VO2處于金屬狀態時，在6.2μm波長處橫截面上SEMA(A)磁場分布的磁共振。(B)用于預測SEMA的磁共振波長的LC電路模型示意圖。(C)不同周期邊長的銀塊的發射率。(D)通過COMSOL仿真和LC電路模型得到了諧振波長與銀塊邊長之間的關系。

圖6A和B分別展示了VO?處于絕緣態和金屬態時，不同TM偏振入射角度下SEMA的光譜吸收率。當入射角超過30°時，絕緣態下3-5μm波段因激發表面等離激元極化激元（SPPs）導致吸收率（發射率）相對升高；而金屬態下，即使入射角增大，整體吸收光譜仍保持較好的穩定性，尤其是在5-8μm波段的高吸收特性基本不受影響。圖6C分析了T 偏振模式下，VO?處于金屬態時不同入射角度對各波段平均發射率的影響。結果顯示，即使入射角達到60°，大氣窗口（3-5μm、8-14μm）的平均發射率仍保持在0.3以下，非大氣窗口（5-8μm）保持在0.7左右，證明SEMA在TM偏振大角度入射下仍具備良好的紅外隱身和散熱性能。當VO?處于絕緣態（圖6D）和金屬態（圖6E）時，不同TE偏振入射角度下SEMA的光譜吸收率。與TM偏振不同，TE偏振下無論VO?處于何種狀態，大角度入射時均未出現3-5μm波段的SPPs激發現象，吸收光譜整體保持穩定，各波段吸收特性變化較小。圖6F展示了TE偏振模式下，VO?處于金屬態時不同入射角度對各波段平均發射率的影響。結果表明，在整個入射角度范圍內（0°-60°），大氣窗口的平均發射率穩定在0.3左右，非大氣窗口穩定在0.7左右，進一步驗證了SEMA在TE偏振下的角度不敏感性，說明其在復雜偏振和入射角度條件下均能保持穩定的紅外隱身性能。

圖6光譜開關性能與偏振和入射角度的關系(A和B)絕緣(A)和金屬(B)態的VO2在不同入射角度下的TE模式下的光譜吸收率。(C)不同入射角對含VO2金屬態TM模不同譜帶平均發射率的影響。(D和E)絕緣(D)和金屬(E)態在不同入射角度下與VO2在TE模式下的光譜吸收率。(F)在含有VO2的金屬態下，不同入射角對TM模中不同波段的平均發射率的影響。

圖7A直觀展示了模擬系統的構成，包括加熱器、SEMA樣品、參考樣品（RS）以及紅外相機的探測區域，明確了模擬的實驗場景和參數設定（如背景溫度、探測波段等）,圖7B呈現了SEMA和參考樣品（RS）在3-5μm和8-14μm波段的探測信號強度隨溫度（300K-500K）的變化。低溫時，SEMA在8-14μm波段的探測信號強度顯著高于RS，處于非隱身狀態；隨著溫度升高（VO?轉變為金屬態），SEMA的探測信號強度逐漸與RS趨近，最終在高溫下保持一致，實現隱身狀態切換，體現了溫度對SEMA隱身性能的調控作用。然后分析了SEMA和RS的輻射溫度與實際溫度（350K-500K）的關系，如圖7D，兩者的輻射溫度均隨實際溫度升高而線性增加，但在相同實際溫度下，SEMA的輻射溫度與 RS接近，且由于其在非大氣窗口的主動散熱作用，在高溫區域（如450K以上）輻射溫度增長速率略低于RS，進一步說明SEMA在保證隱身性能的同時，具備更優的熱管理能力，偽裝效果更穩定。

圖7主動散熱改善了中波和中波紅外區域的偽裝性能(A)溫度和熱模擬示意圖。(B和C)(B)在3-5μm和8-14μm頻段的掃描電子顯微鏡和參考樣品的檢測信號強度。在VO2金屬態(C)下，給出了本底溫度為400K(D)的中紅外大氣窗口的SEMA和RS的熱像，給出了這兩個樣品的輻射溫度與其實際溫度的關系。

結論與展望

綜上所述，本研究提出一種由Ag-(SU-8)-VO?-ITO 結構構成的可切換擴展超表面吸收器（SEMA），通過合理控制激發溫度，利用VO?相變材料實現對紅外性能的動態調控。VO?的相變使得SEMA能夠在紅外隱身狀態和非隱身狀態之間有效切換，同時實現了吸收帶寬和共振波長的熱可調性：當VO?從絕緣態轉變為金屬態時，80%吸收帶寬從4.1μm變為1.2μm，共振波長從11.6μm藍移至6.2μm。該基于相變材料的SEMA具有結構簡單、發射率可調、角度穩健性好等特點，在自適應紅外偽裝和輻射熱管理技術領域具有重要的應用價值。本研究僅對基于VO?的動態熱發射器進行了理論模擬，所使用材料的光學參數來源于已有文獻報道。由于實際制備中薄膜沉積和制造方法的差異，SEMA的實際光學參數和最終光譜發射率可能與理論結果存在一定偏差，但該SEMA的設計理念和結構模型對自適應紅外偽裝和輻射熱管理技術仍具有重要意義。